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1.
Introduction
générale
2.
La
brique élémentaire de la matière nucléaire : les
quarks
3.
Le
déconfinement des quarks : le plasma
quark-gluon
4. Création
et détection d’un plasma quark-gluon
5. Les
expériences futures
6.
Pour
en savoir plus...
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Ce dossier
présente de manière complète le plasma
quark-gluon, ainsi que les dernières avancées de
la recherche dans ce domaine.
Nous savons tous que la
matière existe dans la nature dans des états
différents : sous forme solide, liquide, gazeuse
et dans l’état de plasma où les constituants
atomiques se trouvent plus ou moins dissociés en
un gaz d’ions. Chacun de ces états s’appelle aussi
une phase. Une
phase se distingue d’une autre par les propriétés
physiques que présente la matière. Tout un chacun
a intuitivement rencontré le concept de phase au
travers de l’exemple classique de l’eau que l’on
trouve sur Terre dans les états de glace en phase
solide, d’eau liquide et de vapeur
d’eau.
La phase d’un matériau est
déterminée par la valeur de quelques paramètres
seulement : la température, la pression, la
densité. Pour des valeurs données de ces
paramètres, il est alors possible de prévoir
l’état du matériau pourvu que l’on dispose d’une
équation qui relie entre eux ces paramètres. Une
telle équation s’appelle une équation
d’état.
La
notion de phase, et du même coup celle d’équation
d’état, peut-elle être
transposée à la matière nucléaire ? Cette
interrogation n’est pas motivée par un intérêt
purement académique ; une réponse positive à cette
question impliquerait la possibilité de prévoir le comportement de la
matière dans le cœur des étoiles par exemple, ou
encore de comprendre la formation des particules
élémentaires quelques fragments de microsecondes
après le « Big Bang » !
Si cette
hypothèse s’avérait exacte alors la matière
nucléaire pourrait présenter une phase équivalente
au plasma, c'est-à-dire un état où les protons et
les neutrons seraient « dissous » en leurs
constituants internes : les hypothétiques quarks
et gluons. La mise en évidence d’un plasma
quark-gluon aurait un double impact sur la
physique contemporaine : elle permettrait d’étudier la théorie des
interactions fortes et ouvrirait de larges horizons
dans la compréhension de la structure
nucléaire.
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A la
fin des années 1930, la physique atomique et
subatomique avait progressé considérablement. La
naissance de la mécanique quantique assurait de
nouvelles bases théoriques à l’étude des
phénomènes physiques à l’échelle microscopique
d’une part et d’autre part les recherches
expérimentales avaient fermement établi la
structure de l’atome. Ce dernier était composé
d’un noyau constitué de protons (particule
élémentaire de charge électrique positive) et de
neutrons (particule élémentaire sans charge
électrique) ainsi que d’électrons électriquement
négatifs formant un nuage autour du noyau. Alors
que l’atomisme avait réduit la complexité et la
diversité des matériaux qui nous entourent à 92
éléments fondamentaux classés rationnellement dans
la table de
Mendeleiev, au terme de la première moitié
du XXe siècle les physiciens étaient parvenus à
réduire la matière à la combinaison de trois
particules élémentaires. La nature devenait tout à
coup beaucoup plus
simple.
Or, les protons confinés
dans les noyaux atomiques - dont les dimensions
sont de l’ordre de 10^-15 m (ou 1 femtomètre) -
sont soumis à des forces de répulsion
électrostatique vertigineuses. Ramenées à une
masse de 1 kg, ces forces s’élèvent à 1011 N. Pour
assurer la stabilité des noyaux atomiques une
autre force, attractive celle-ci, doit
nécessairement exister pour compenser la répulsion
électrostatique, sans quoi les noyaux voleraient
immédiatement en éclat. Cette force fut baptisée
la force forte,
en référence à son intensité considérable. La
force forte, ou interaction forte, n’étant pas
observée à notre échelle, elle doit donc agir avec
une très courte portée, de l’ordre de la dimension
des noyaux atomiques. Le physicien japonais Hideki Yukawa proposa
en 1935 un modèle de l’interaction forte qui
rendait compte des principales propriétés de
celle-ci. Ce modèle introduisait trois nouvelles
particules, les particules pi ou pions, comme
vecteur de l’interaction : les protons et les
neutrons se collent les uns aux autres en
échangeant des pions. Les pions furent découverts
en 1947 par le groupe de Cecil F. Powell à partir
d’émulsions exposées au rayonnement
cosmique.
Dans
le courant des années 1950 et 1960, le
développement des accélérateurs de particules
(cyclotrons et synchrotrons) et de détecteurs plus
efficaces comme les chambres à bulles révélèrent
un paysage du monde des particules sensiblement
différent : l’on dénombrait alors plusieurs
centaines de particules différentes !
L’élémentarité de ces objets paraissait alors de
moins en moins crédible face à cette complexité.
En 1964 Murray Gell-Mann proposa une théorie dans
laquelle la majorité des particules sont composées
de constituants plus fondamentaux qu’il appela -
en empruntant leur nom à un poème de James Joyce
tiré de « The Finnegan’s Wake » - les quarks.
La
théorie des quarks initiale prévoyait l’existence
de trois quarks :
les quarks u(pour
up), d (pour
down) et s (pour
strange). On put alors classer la multitude
des particules en trois groupes : · Des particules ne contenant
pas de quarks, baptisées leptons, dont les
principaux représentants sont l’électron, le muon
et le neutrino · Des
particules contenant deux quarks - un quark
et un anti-quark - nommées mésons. Les pions sont
des mésons · Des
particules contenant trois quarks - ou
baryons - comme le proton et le
neutron.
Les baryons et les mésons forment
une famille plus large nommée hadrons. Les hadrons se
distinguent des leptons en cela qu’ils sont
constitués de quarks. Selon les théories
actuelles, les leptons seraient de vraies
particules élémentaires au même titre que les
quarks.
Par analogie avec
l’électrodynamique quantique, on attribua une
charge aux quarks spécifique à l’interaction
forte, symboliquement représentée par les trois
couleurs primaires : rouge, bleu et jaune. Pour
cette raison, cette théorie porte le nom de chromodynamique
quantique. Ce code de couleur est purement
abstrait (il ne faut surtout pas s’imaginer que
les quarks sont colorés!). L’absence de charge de
couleur (c'est-à-dire la neutralité vis à vis de
l’interaction forte) se traduit par la couleur
blanche, qui n’est autre que la somme des trois
couleurs primaires (de la même manière que la
somme +e et -e donne 0) ou la somme d’une couleur
et de son anti-couleur (ou couleur
complémentaire). Dans le modèle de la
chromodynamique quantique, les forces qui collent
les quarks entre eux sont véhiculées par des
particules - les quanta de l’interaction - nommées
gluons. A la différence du photon qui n’est pas
chargé, les gluons portent une charge de couleur.
La théorie prévoit 8 gluons différents.
La
chromodynamique quantique donne des résultats très
précis, en bon accord avec l’expérience. De plus,
elle a prédit l’existence de nombreuses particules
qui furent découvertes par la suite, comme par
exemple le célèbre J/Y composé d’un quark c et de
son anti-quark (noté )
et qui va jouer un rôle fondamental, comme nous
allons le voir, dans la détection du plasma
quark-gluon. Mais la théorie des quarks présente
un grave défaut : personne n’a pu encore
observer un seul quark à l’état libre ! En
d’autres mots, les ingrédients mêmes de la théorie
des quarks n’ont toujours pas été mis en évidence
; les quarks restent confinés dans les
hadrons.
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Pour
tenter d’observer des quarks les physiciens ont
utilisé dans les années 1980 des accélérateurs de
particules de plus en plus puissants. Ils ont
cherché à extirper les quarks des hadrons en les
bombardant avec des particules très rapides (des
électrons par ex.). Les expériences ont clairement
montré des « points durs » à l’intérieur des
hadrons, sources de gerbes de particules - des
mésons - appelées des jets. Malgré l’énergie
considérable communiquée aux particules dans les
accélérateurs, aucun
quark libre n’a pu être mis en
évidence.
Paradoxalement,
plus l’énergie des quarks dans un hadron est
faible, plus ces derniers semblent libres de leurs
mouvements. Inversement, le lien qui les réunit se
renforce avec leur énergie. Cette propriété
étonnante des quarks s’appelle la liberté
asymptotique. Pour fixer les idées, on peut
imaginer les quarks dans un hadron comme des
boules attachées entre elles par une corde
élastique de raideur très élevée ; plus on éloigne
les boules, plus la tension des cordes croît. Ce
modèle porte le nom de bag modeI (ou modèle du
sac).
La liberté asymptotique s’interprète
physiquement très simplement à partir de la forme
du potentiel auquel est soumis un quark dans un
hadron :
où
le premier terme est de forme coulombienne et la
composante en sigma est responsable du
confinement.
Quand la densité de quarks
croît, c'est-à-dire quand r décroît, le terme en s
tend à s’annuler et le terme coulombien subit un
effet d’écran tout à fait comparable à celui qui
est observé avec le potentiel électrostatique. A
partir d’un certain seuil, appelé longueur de
Debye, ce potentiel devient à son tour négligeable
: le quark peut se mouvoir librement. La matière
ressemble alors à un « bouillon » de quarks et de
gluons à l’état libre, c'est-à-dire, dit
autrement, à un plasma
de quarks et de gluons !
La
création d’un tel plasma nécessite une température
minimale de 10^10 K (ou encore 300 MeV ) et une
densité d’énergie supérieure à 3 GeV/fm3 ; en
comparaison, la densité d’énergie à l’intérieur
d’un noyau atomique « froid » est de l’ordre de
0,17 GeV/fm3.
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Durant
les années 1980 et 1990 une série d’expériences
(NA 38, NA39, NA49, NA 50, WA97 et WA98 sur le SPS
du CERN par ex.) ont tiré profit de la liberté
asymptotique des quarks, en comprimant fortement
les hadrons, dans le but de créer un plasma de
quarks et de gluons. Dans un premier temps, les
physiciens ont bombardé des cibles fixes avec des
noyaux légers (NA38 par ex.) à une énergie de 200
GeV par nucléon. Puis, les noyaux légers ont été
remplacés par des noyaux de plomb (cas de NA50),
dont l’énergie atteignait 158 GeV par nucléon.
Lors d’une collision frontale la densité d’énergie
libérée au cœur des noyaux s’élève à 5 Gev/fm3 ;
les conditions de formation d’un plasma
quark-gluon sont donc théoriquement réunies. Se
pose alors une question fondamentale : une fois le
plasma créé, comment le mettre en évidence
?
La difficulté de l’entreprise réside dans
les dimensions spatiales et temporelles du plasma
quark-gluon : il est confiné dans un très petit
volume de l’ordre de quelques femtomètres et sa
durée de vie ne dépasse pas 10^-23 s. Ces chiffres
éloquents montrent qu’il n’est pas envisageable
d’observer directement un plasma quark-gluon mais
plutôt les produits qui découlent de sa formation.
Heureusement un tel plasma laisse des « traces »
ou signatures que les physiciens savent
reconnaître. Parmi les signatures auxquelles l’on
s’attend, nous allons nous pencher sur trois
d’entre-elles :
· Le défaut de production
de mésons J/Y · La production de particules «
étranges ». · La création de photons
thermiques
Le défaut de production de
mésons J/Y
Aux
très hautes énergies qui nous intéressent, des
paires de quarks « charmés » c et
vont pouvoir se matérialiser. Les c et se
lient en un méson
connu, comme nous l’avons vu plus haut, sous le
nom de J/Y. Les deux quarks ne restent pas
longtemps dans cet état lié ; très vite (au bout
de 10^-23 s) ils s’annihilent en produisant aussi
une paire lepton-antilepton (dont ).
Ce phénomène est très bien connu des physiciens,
c’est celui-là même qui permit la découverte du
J/Y. Lorsque l’on mesure le nombre de paires
produites en fonction de l’énergie mise en jeu (on
dit que l’on mesure le spectre des muons) on
observe pour une énergie égale à la masse du J/Y
un pic trahissant la création de celui-ci.
D’autres
phénomènes participent au spectre des muons.
Notamment, sous l’action de la force de couleur
les quarks et les antiquarks se rapprochent et
s’annihilent presque aussitôt après avoir été
créés en émettant un photon virtuel qui se
matérialise à son tour en une paire de
lepton-antilepton - particules plus légères -
comme par exemple une paire électron-positron
()
ou muon-antimuon ( ).
On appelle les paires de leptons ainsi formées des
paires de Drell-Yan, et la réaction qui leur a
donné naissance: q + q -> photon virtuel ->
lepton + anti-lepton, le
processus de Drell-Yan.
Dans le cas
d’un plasma quark-gluon, la force de couleur qui
attire les quarks des paires s’annule
sous l’effet d’écran de la force forte. Les quarks
c et ne
vont pas se lier dans un J/Y mais plutôt
poursuivre leur chemin séparément. Ainsi, l’on
devrait constater une chute anormale du nombre de
J/Y créés, signature de la formation d’un plasma
quark-gluon. C’est précisément ce que les équipes
des expériences NA38 et NA50 ont
observé.
La production de particules
étranges
Une
fois créé, un plasma quark-gluon s’étend très
rapidement en se refroidissant tout aussi vite. La
densité d’énergie au sein du plasma décroissant,
l’intensité de l’interaction forte entre les
quarks augmente en entraînant la recombinaison de
ces derniers dans des états liés sous forme de
hadrons, essentiellement des mésons. C’est le
phénomène d’hadronisation que nous avons déjà
mentionné. Les hadrons créés après hadronisation
sont constitués des quarks qui étaient contenus
dans le plasma ; l’analyse des hadrons formés
après la collision devrait donc nous renseigner
sur la composition du
plasma quark-gluon.
Les hautes
énergies nécessaires à la création d’un plasma
favorisent la matérialisation de quarks lourds
comme les quarks « charmés » c et mais
aussi les quarks « étranges » s et .
Comme les quarks « charmés » les quarks s et
se trouvent à l’état libre du fait de l’écrantage
de la force de couleur. Au lieu de s’annihiler,
ils vont se lier dans des baryons (hadrons à 3
quarks).
En présence de plasma, les quarks
s et
sont plus nombreux ce qui devrait favoriser la
création d’un plus grand nombre de baryons «
étranges » comme le W composé de trois quarks s ou
l’antioméga (noté constitué
de trois antiquarks .
Une forte augmentation de la production de tels
baryons constitue donc une bonne signature d’un
plasma quark-gluon.
L’expérience WA97 du
CERN a mis en œuvre ce principe de détection du
plasma quark-gluon. Les résultats ont été
spectaculaires : le nombre de W et de a
été multiplié par 15 comme le montre la figure
ci-contre ! Ainsi, les physiciens soupçonnent
fortement la création d’un plasma de quarks et de
gluons.
La
création de photons thermiques
Cette
technique d’observation du plasma quark-gluon est
certainement la plus
directe puisqu’elle permet de « voir » le
rayonnement émis directement par le
plasma.
En
effet, lors de la collision entre deux nucléons,
une partie de l’énergie est libérée sous forme de
rayonnement
électromagnétique c'est-à-dire sous forme
de photons. Le taux de production et l’énergie de
ces photons sont directement liés aux conditions
thermodynamiques des quarks et des gluons qui les
émettent. D’autre part, les photons interagissent
avec la matière par le biais de l’interaction
électromagnétique dont ils sont d’ailleurs les
vecteurs. Or l’interaction électromagnétique est
beaucoup moins intense que l’interaction forte. Il
s’ensuit que les photons
ont une probabilité relativement faible
d’interagir avec les quarks et les gluons
environnants. L’analyse du rayonnement
électro-magnétique engendré lors de la collision
de nucléons nous informe donc fidèlement, avec peu
d’altération, sur les conditions physiques et
thermiques de la matière nucléaire. Notamment, les
photons thermiques sont surtout créés lors de la
diffusion d’un gluon par un quark (un peu comme un
électron est diffusé par un noyau atomique dans
l’expérience de Rutherford) et nous révèlent ainsi
l’état physique des quarks.
Les photons
thermiques pourraient donc constituer une
signature intéressante de la création d’un plasma
quark-gluon. Cependant, une grande quantité de
photons sont également créés par d’autres
phénomènes indépendants du plasma et viennent
ainsi perturber les mesures par un important «
bruit de fond ».
Certaines expériences,
comme WA98 réalisée en 1998 sur l’anneau SPS du
CERN, se sont attachées à mesurer les photons
thermiques émis lors de collisions entre noyaux.
Dans le cadre de WA98 des noyaux de plomb
accélérés à 158 GeV / nucléon ont été envoyés
contre une cible de plomb fixe. Malheureusement, à
ce jour, les énergies atteintes par ces
expériences n’ont pas
été suffisantes pour permettre de distinguer du «
bruit de fond » ambiant le rayonnement thermique
émis par un éventuel plasma quark-gluon. On
espère, en revanche que les futures expériences du
RHIC et du LHC en fourniront les
moyens.
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Dans les expériences que
nous avons décrites jusqu’à présent, des noyaux
lourds (noyaux de plomb par ex.) étaient projetés
à haute énergie contre des cibles fixes. Cette
technique présente deux
inconvénients majeurs :
1. l’énergie mise en jeu n’est
pas optimale car l’un des noyaux est fixe
au moment de la collision 2. le centre de masse du système
constitué par les deux noyaux se déplace très
vite. Il en résulte que les particules
produites sont projetées à l’arrière de la cible
dans un cône très fermé ce qui rend leur détection
et leur analyse délicates.
Dans
les années 1980, les physiciens ont mis au point
un autre type d’accélérateur de particules nommé
collisionneurs.
Ils sont composés de deux « anneaux » qui se
coupent en plusieurs points. Les particules
circulent en sens opposé dans chacun des anneaux.
Aux intersections elles rentrent en collisions de
façon quasiment frontale et libèrent ainsi toute
leur énergie. Le centre de masse des noyaux qui se
percutent est alors presque immobile. Il s’ensuit
que les produits de la collision vont être
diffusés dans toutes les directions autour du
point d’impact rendant leur analyse plus
aisée.
Cette technique peut être employée
avec des noyaux lourds plutôt que des particules.
Deux accélérateurs de particules vont mettre à
profit cette technique, l’un américain le
Relativistic Heavy Ion Collider ou RHIC situé au
Brookhaven National Laboratory, l’autre européen,
le Large Hadron Collider au CERN à
Genève.
Deux
expériences, parmi les cinq qui sont prévues se
dérouler sur le RHIC, sont dédiées à la physique
du plasma quark-gluon : STAR (Solenoidal
Tracker At RHIC) et Phoenix. Avec le RHIC, la
densité d’énergie au cœur de la collision de deux
noyaux pourrait atteindre 8 GeV/fm3 (pour rappel
le seuil de formation d’un plasma quark-gluon est
de l’ordre de 3 GeV/fm3). Le RHIC a opéré ses
premiers essais en avril 2000.
Au CERN, le
futur LHC devrait entrer en service en 2005. Il
permettra d’obtenir des densités d’énergie de
l’ordre de 18 GeV/fm3 ! Deux des cinq expériences
qui s’y dérouleront étudieront la physique du
plasma quark-gluon : les expériences ALICE (A
Large Ion Collider Experiment)
On espère
que ces expériences révèleront sans ambiguïté
l’existence d’une phase de plasma quark-gluon de
la matière nucléaire et permettront même d’en
étudier en détail les propriétés physiques. A l’aube du troisième
millénaire un nouveau champ de recherche s’ouvre à
la physique nucléaire, probablement riche de
nombreuses découvertes inattendues.
Ouvrages de vulgarisation - Michel Crozon, L’univers des
particules, Ed. du Seuil, Coll. Points Sciences,
1999 - Robert Zitoun, La physique des
particules, Ed. Nathan Universités, Coll. Sciences
128, 1998 - Les particules élémentaires,
Bibliothèque Pour la Science, Diffusion Belin,
1986 - Hans Gutbrod, Horst Stöcker, L’équation
d’état de la matière nucléaire, Dossier Pour la
Science intitulé « Noyaux atomiques et
radioactivité », n° hors série, Octobre 1996 -
Claudie Gerschel, A la recherche du plasma de
quarks et de gluons, Images de la physique, Ed. du
CNRS, 1988
Ouvrages de niveau
universitaire Luc valentin,
Physique subatomique, Noyaux et particules, Ed.
Hermann, dernière édition 1994
Sites sur internet - CERN : http://www.cern.ch/ -
Expérience NA50 au CERN : http://na50.web.cern.ch/NA50/ -
RHIC : http://www.rhic.bnl.gov/ -
Expérience Phoenix au Brookhaven National
Laboratory : http://www.phenix.bnl.gov/
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